Question

硅是重要的半导体材料，构成了现代电子工业的基础。回答下列问题：

(1)基态Si原子中，电子占据的最高能层符号为______，该能层具有的原子轨道数为______，电子数为________。

(2)硅主要以硅酸盐、________等化合物的形式存在于地壳中。

(3)单质硅存在与金刚石结构类似的晶体，其中原子与原子之间以________相结合，其晶胞中共有8个原子，其中在面心位置贡献________个原子。

(4)单质硅可通过甲硅烷(SiH₄)分解反应来制备。工业上采用Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介质中反应制得SiH₄，该反应的化学方程式为________________。

(5)碳和硅的有关化学键键能如下所示，简要分析和解释下列有关事实：

化学键	C—C	C—H	C—O	Si—Si	Si—H	Si—O
键能/(kJ·mol－1)	356	413	336	226	318	452

①硅与碳同族，也有系列氢化物，但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多，原因是________________________。

②SiH₄的稳定性小于CH₄，更易生成氧化物，原因是______________________________________________。

(6)在硅酸盐中，SiO四面体(如图a)通过共用顶角氧离子可形成岛状、链状、层状、骨架网状四大类结构型式。图b为一种无限长单链结构的多硅酸根，其中Si原子的杂化形式为________，Si与O的原子数之比为________，化学式为________。

Answer 1

解析　(1)硅的基态原子中，能量最高的能层是第三电子层，符号为M，该能层有9个原子轨道，电子数为4。(2)硅还以SiO₂形式存于在地壳中。(3)硅晶体中，硅原子间以共价键结合在一起，其晶胞6个面上各有一个硅原子，依据均摊原则，面心位置贡献3个原子。(4)可先写出：Mg₂Si＋NH₄Cl—→SiH₄，由原子守恒知还应该有MgCl₂生成，配平镁、氯、硅元素后得Mg₂Si＋4NH₄Cl—→SiH₄＋2MgCl₂，再进一步分析知还应该有NH₃生成，最终结果为Mg₂Si＋4NH₄Cl===SiH₄＋2MgCl₂＋4NH₃。(5)某类物质数量的多少与物质内化学键的稳定性强弱有关，由表中数据知C—C键、C—H键分别比Si—Si键、Si—H键稳定，故烷烃数量较多。同理因键能C—H>C—O、Si—O>Si—H，故SiH₄的稳定性小于CH₄，更易生成氧化物。(6)因硅与四个氧原子形成四个σ键，故硅原子为sp³杂化。在图a中，硅、氧原子数目比为1:4，但图b中每个硅氧四面体中有两个氧原子是与其他四面体共用的，故依据均摊原则可确定图b中硅、氧原子数目比为1:3，化学式为(SiO₃)。

答案　(1)M　9　4

(2)二氧化硅

(3)共价键　3

(4)Mg₂Si＋4NH₄Cl===SiH₄＋4NH₃＋2MgCl₂

(5)①C—C键和C—H键较强，所形成的烷烃稳定。而硅烷中Si—Si键和Si—H键的键能较低，易断裂，导致长链硅烷难以生成

②C—H键的键能大于C—O键，C—H键比C—O键稳定。而Si—H键的键能却远小于Si—O键，所以Si—H键不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O键

(6)sp³　1:3　(或SiO)